KR102188166B1

KR102188166B1 - 워터펌프-쿨링팬 조립체 및 그의 제어방법

Info

Publication number: KR102188166B1
Application number: KR1020190121021A
Authority: KR
Inventors: 오미선
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2020-12-07

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 워터펌프-쿨링팬 조립체는, 펌프 바디 및 상기 펌프 바디 내에 회전가능하게 장착된 임펠러를 가진 워터펌프; 상기 워터펌프의 중심에 회전가능하게 장착된 공통샤프트; 상기 워터펌프에 대해 회전가능하게 장착되는 워터펌프 풀리; 상기 워터펌프 및 상기 워터펌프 풀리에 대해 상기 공통샤프트를 통해 동축으로 연결되고, 외기온에 감응하는 팬클러치가 장착된 쿨링팬; 상기 쿨링팬 및 상기 공통샤프트를 고정적으로 연결하는 연결부재; 및 상기 워터펌프 풀리를 상기 공통샤프트에 선택적으로 결합하는 풀리 클러치;를 포함할 수 있다.

Description

워터펌프-쿨링팬 조립체 및 그의 제어방법{WATER PUMP-COOLING FAN ASSEMBLY AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}

본 발명은 워터펌프-쿨링팬 조립체 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 워터펌프 풀리에 대해 공통샤프트를 통해 동축으로 연결된 워터펌프 및 쿨링팬을 용이하게 제어할 수 있는 워터펌프-쿨링팬 조립체 및 그의 제어방법에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 엔진 냉각시스템은 모든 주행조건과 전속도 범위에 걸쳐서 엔진이 정상 작동 온도를 유지하도록 구성된다.

엔진 냉각시스템은 엔진의 실린더블록 및 실린더헤드 형성된 워터자켓과, 워터자켓에 유체적으로 연결된 라디에이터와, 워터자켓에서 가열된 냉각수를 이용하여 차내로 공급되는 공기를 가열하는 히터코어와, 엔진 냉각시스템 내에서 냉각수를 강제적으로 순환시키는 워터펌프와, 라디에이터의 후방에 배치되어 라디에이터의 냉각을 촉진시키도록 송풍하는 쿨링팬을 포함한다.

라디에이터의 냉각성능 향상을 위하여 쿨링팬이 라디에이터의 중앙에 위치하고 워터펌프 및 쿨링팬이 워터펌프 풀리를 통해 하나의 모듈단위로 조립된 워터펌프-쿨링팬 조립체가 이용되고 있다. 워터펌프에는 워터펌프 풀리가 결합되고, 워터펌프 풀리는 엔진의 크랭크샤프트로부터 벨트를 통해 동력을 전달받도록 구성된다. 팬 클러치가 쿨링팬의 중심부에 장착되며, 팬 클러치는 쿨링팬의 회전 및 회전수 등을 제어한다. 워터펌프 풀리, 워터펌프, 쿨링팬은 하나의 구동축에 대해 동축으로 연결됨으로써 워터펌프 풀리가 엔진의 크랭크샤프트로부터 동력을 전달받아 회전하고, 이러한 워터펌프 풀리의 회전에 의해 워터펌프 및 팬 클러치가 함께 회전한다.

한편, 배기가스의 규제가 강화되면서 배기가스의 규제가 저온영역까지 확대되고 있으며, 이로 인해 엔진의 신속한 워밍업이 매우 중요해진다.

하지만, 종래기술에 따른 워터펌프-쿨링팬 조립체는, 워터펌프 및 팬 클러치가 동일한 회전수로 구동하더라도 냉각성능에는 지장을 주지 않지만, 냉간 및 온간 등에 상관없이 엔진의 구동에 의해 워터펌프, 클링팬, 팬클러치가 항상 회전함에 따라 냉간 또는 시동 초기에도 쿨링팬이 팬클러치에 의해 일정한 rpm(대략 1000rpm)으로 회전하므로 엔진의 워밍업을 방해할 뿐만 아니라 연비를 악화시키는 단점이 있었다.

특히, 엔진의 시동 시에 외기온과 관계없이 오일작동실에 잔류한 오일이 오일저장실로 회수될 때까지 쿨링팬이 최고 회전수로 회전하기 때문에 연비 및 소음 측면에서 더욱 불리하다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출된 것으로, 워터펌프 및 팬 클러치가 공통샤프트을 통해 워터펌프 풀리에 동축으로 연결되고, 냉각수온, 외기온, 엔진 rpm 등에 따라 엔진의 크랭크샤프트의 동력이 워터펌프 및 팬 클러치로 전달됨을 단속함과 더불어 워터펌프의 회전수 및 쿨링팬의 회전수를 용이하게 제어할 수 있는 워터펌프-쿨링팬 조립체를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 워터펌프-쿨링팬 조립체는,

펌프 바디 및 상기 펌프 바디 내에 회전가능하게 장착된 임펠러를 가진 워터펌프;

상기 워터펌프의 중심에 회전가능하게 장착된 공통샤프트;

상기 워터펌프에 대해 회전가능하게 장착되는 워터펌프 풀리;

상기 워터펌프 및 상기 워터펌프 풀리에 대해 상기 공통샤프트를 통해 동축으로 연결되고, 외기온에 감응하는 팬클러치가 장착된 쿨링팬;

상기 쿨링팬 및 상기 공통샤프트를 고정적으로 연결하는 연결부재; 및

상기 워터펌프 풀리를 상기 공통샤프트에 선택적으로 결합하고, 상기 워터펌프 풀리의 내측에 배치되는 풀리 클러치;를 포함할 수 있다.

상기 공통샤프트는 상기 워터펌프의 임펠러에 결합되는 인너샤프트와, 상기 연결부재에 결합되는 아웃터샤프트와, 상기 인너샤프트 및 상기 아웃터샤프트 사이에 위치한 베어링을 포함할 수 있다.

상기 풀리 클러치는 상기 공통샤프트의 아웃터샤프트의 외면에 배치된 아마추어와, 상기 아마추어 및 상기 공통샤프트의 베어링부 사이에 개재된 탄성부재와, 통전여부에 따라 상기 아마추어를 선택적으로 흡인하는 솔레노이드를 포함할 수 있다.

상기 워터펌프 풀리는 상기 펌프 바디의 일단에 회전가능하게 지지된 림부 및 상기 림부로부터 상기 공통샤프트의 아웃터샤프트를 향해 연장된 지지벽을 포함할 수 있다. 상기 아마추어는 상기 솔레노이드 및 상기 탄성부재에 의해 상기 공통샤프트의 축선방향을 따라 이동함으로써 상기 지지벽과 선택적으로 마찰접촉하도록 구성될 수 있다.

상기 아마추어는 상기 공통샤프트의 축선방향을 따라 이동가능하고, 상기 아웃터샤프트의 회전방향을 따라 구속되도록 구성될 수 있다.

상기 아마추어는 상기 지지벽을 향해 돌출한 접촉돌기를 가질 수 있다.

상기 쿨링팬은 상기 공통샤프트 및 팬클러치를 통해 상기 워터펌프 및 상기 워터펌프 풀리에 동축으로 연결될 수 있다. 상기 팬클러치는 연결부재를 통해 상기 공통샤프트에 연결될 수 있다.

상기 연결부재는 상기 공통샤프트의 아웃터샤프트가 끼움결합되는 결합공 및 상기 팬클러치의 클러치 샤프트가 결합되는 수나사부를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 워터펌프-쿨링팬 조립체의 제어방법은, 냉각수온이 제1설정온도 보다 낮고, 외기온이 제2설정온도 보다 낮으며, 엔진의 RPM이 설정RPM 보다 낮으면, 풀리 클러치의 해제작동을 실행함으로써 워터펌프 풀리의 회전력을 워터펌프 및 쿨링팬으로 전달됨을 차단할 수 있다.

냉각수온이 제1설정온도 이상이거나 외기온이 제2설정온도 이상이거나 엔진의 RPM이 설정RPM 이상이면 풀리 클러치의 결합작동을 실행함으로써 워터펌프 풀리의 회전력을 워터펌프 및 쿨링팬으로 전달할 수 있다.

상기 풀리 클러치의 결합작동 시에 풀리 클러치의 결합 듀레이션시간을 설정하고, 상기 풀리 클러치의 결합 듀레이션시간은 상기 풀리 클러치의 결합작동을 유지하기 위해 설정된 시간일 수 있다.

본 발명에 의하면, 워터펌프 및 팬 클러치가 공통샤프트을 통해 워터펌프 풀리에 동축으로 연결되고, 냉각수온, 외기온, 엔진 rpm 등에 따라 엔진의 크랭크샤프트의 동력이 워터펌프 및 팬 클러치로 전달됨을 단속함과 더불어 워터펌프의 회전수 및 쿨링팬의 회전수를 용이하게 제어할 수 있고, 이를 통해 엔진의 워밍업을 원활하게 할 수 있으며, 기존의 전자유체식 팬클러치에 비해 상대적으로 작은 비용으로 우수한 연비개선효과를 달성할 수 있다. 또한, 저온 배기규제를 용이하게 대응할 수 있으며, 냉간 시 연료 분사량을 줄일 수 있으므로 연비를 개선할 수 있고, 냉간 시에 EGR가스 사용량을 줄임으로써 내구 및 품질을 개선할 수 있으며, 시동 시 쿨링팬의 회전을 억제할 수 있으므로 엔진 NVH성능을 향상할 수 있고, 엔진의 워밍업 개선을 통해 연비를 향상할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 워터펌프-쿨링팬 조립체를 도시한 단면도로서, 풀리 클러치의 결합작동을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 워터펌프-쿨링팬 조립체를 도시한 단면도로서, 풀리 클러치의 해제작동을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 워터펌프-쿨링팬 조립체에서 풀리 클러치의 아마추어가 공통샤프트의 아웃터샤프트 상에 이동가능하게 연결된 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 A-A선을 따라 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 워터펌프-쿨링팬 조립체의 제어방법을 도시한 순서도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 워터펌프-쿨링팬 조립체(10)는 워터펌프(20)와, 워터펌프(20)의 중심에 장착된 공통샤프트(30, common shaft)와, 워터펌프(20)에 대해 회전가능하게 장착된 워터펌프 풀리(40)와, 워터펌프(20) 및 워터펌프 풀리(40)에 대해 동축으로 연결된 쿨링팬(50)과, 쿨링팬(50) 및 공통샤프트(30)를 고정적으로 연결하는 연결부재(60)와, 워터펌프 풀리(40)를 공통샤프트(30)에 선택적으로 결합하는 풀리 클러치(70)를 포함할 수 있다.

워터펌프(20)는 펌프 바디(21)와, 펌프 바디(21)의 내부에 회전가능하게 장착된 임펠러(22)를 포함할 수 있다. 펌프 바디(21)는 엔진 냉각시스템의 냉각수 도관이 연결될 수 있고, 임펠러(22)가 펌프 바디(21) 내에서 회전함에 따라 냉각수가 엔진 냉각시스템의 냉각수 도관을 따라 엔진의 워터자켓, 라디에이터, 히터코어 등으로 순환할 수 있다.

펌프 바디(21)는 공통샤프트(30)의 적어도 일부를 수용하는 수용캐비티(25)를 가질 수 있다. 수용캐비티(25)는 제1수용캐비티(23) 및 제2수용캐비티(24)로 이루어질 수 있고, 제1수용캐비티(23)의 내경이 제2수용캐비티(24)의 내경 보다 크게 형성될 수 있다.

공통샤프트(30)은 워터펌프(20)의 임펠러(22)에 결합되는 인너샤프트(31)와, 연결부재(60)에 결합되는 아웃터샤프트(32)와, 인너샤프트(31) 및 아웃터샤프트(32) 사이에 위치한 베어링부(33)를 포함할 수 있다. 인너샤프트(31)는 펌프 바디(21)의 내측에 위치할 수 있고, 아웃터샤프트(32)는 펌프 바디(21)로부터 외측으로 돌출할 수 있다. 아웃터샤프트(32)의 외경이 인너샤프트(31)의 외경 보다 크게 형성될 수 있고, 베어링부(33)의 외경이 아웃터샤프트(32)의 외경 및 인너샤프트(31)의 외경 보다 크게 형성될 수 있다. 베어링부(33)의 외면은 제1수용캐비티(23)의 내면에 회전가능하게 지지될 수 있다. 인너샤프트(31)는 펌프 바디(21)의 제2수용캐비티(24) 내에 수용될 수 있고, 인너샤프트(31)는 제2수용캐비티(24) 내에서 베어링 등을 통해 회전가능하게 지지될수 있다. 상술한 바와 같이, 수용캐비티(25)가 제1수용캐비티(23) 및 제2수용캐비티(24)로 구성됨을 예시하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 수용캐비티(25)는 공통샤프트(30)의 형상 및 구조 등에 부합하도록 다양하게 변경될 수 있다.

워터펌프 풀리(40)는 엔진의 크랭크샤프트에 대해 벨트를 통해 연결된 림부(41, rim portion) 및 림부(41)로부터 공통샤프트(30)를 향해 연장된 지지벽(42)을 포함할 수 있다.

림부(41)는 펌프 바디(21)의 일단에 회전가능하게 지지되도록 장착될 수 있다. 벨트는 엔진의 크랭크샤프트 및 워터펌프 풀리(40)의 림부(41)에 감겨짐으로써 워터펌프 풀리(40)는 엔진의 크랭크샤프트로부터 회전력을 전달받을 수 있다. 일 예에 따르면, 림부(41)는 복수의 외측치형을 가질 수 있고, 벨트는 복수의 내측치형을 가질 수 있으며, 벨트의 내측치형이 림부(41)의 외측치형들에 치합되도록 구성될 수 있다.

지지벽(42)은 펌프 바디(21)의 맞은편에 위치할 수 있고, 베어링(43)이 워터펌프 풀리(40)의 내면 및 펌프 바디(21)의 일단 외주면 사이에 배치될 수 있고, 워터펌프 풀리(40)는 베어링(43)에 의해 펌프 바디(21)에 대해 회전가능하게 지지될 수 있다.

쿨링팬(50)은 공통샤프트(30)를 통해 워터펌프(20) 및 워터펌프 풀리(40)에 대해 동축으로 연결될 수 있다. 특히, 팬클러치(80)가 쿨링팬(50)의 중심에 장착될 수 있고, 공통샤프트(30)는 연결부재(60)를 통해 팬클러치(80)에 연결될 수 있다. 팬클러치(80)는 외기온에 감응하여 공통샤프트(30)의 회전력을 쿨링팬(50)으로 전달함으로써 쿨링팬(50)은 외기온에 따라 회전수가 결정될 수 있다.

연결부재(60)는 쿨링팬(50)의 팬클러치(80) 및 공통샤프트(30)를 고정적으로 연결하도록 구성될 수 있다. 연결부재(60)는 그 내부에 형성된 결합공(61) 및 그 외주면에 형성된 수나사부(62)를 가진 원통형부재로 구성될 수 있다. 결합공(61)의 내경이 아웃터샤프트(32)의 외경 보다 미세하게 작게 형성됨으로써 공통샤프트(30)의 아웃터샤프트(32)가 결합공(61)에 억지끼움결합되도록 구성될 수 있다. 수나사부(62)는 후술하는 팬클러치(80)의 클러치 샤프트(84)가 나사결합될 수 있다. 또한, 연결부재(60)는 그 외면에 스토퍼(63)가 일체로 형성될 수 있고, 스토퍼(63)는 연결부재(60)의 외면으로부터 외경방향을 따라 연장될 수 있다.

또한, 도 3을 참조하면, 연결부재(60)는 그 일단에 형성된 스토퍼면(65)을 가질 수 있고, 스토퍼면(65)은 후술하는 아마추어(71)의 내주가장자리와 마주보게 위치할 수 있다. 이에 아마추어(71)가 탄성부재(72)의 탄성력에 의해 지지벽(42)을 향해 이동할 때, 아마추어(71)의 내주가장자리가 스토퍼면(65)에 의해 그 위치가 구속될 수 있다.

풀리 클러치(70)는 공통샤프트(30)의 아웃터샤프트(32)의 외면에 배치된 아마추어(71)와, 아마추어(71) 및 공통샤프트(30)의 베어링부(33)의 측벽 사이에 개재된 탄성부재(72)와, 베어링(43)의 내면과 펌프 바디(21)의 외주면 사이에 개재된 솔레노이드(73)를 포함할 수 있다.

아마추어(71)는 도체 재질의 환형 구조로 이루어져 아웃터샤프트(32)의 외면 상에 배치될 수 있다. 아마추어(71)는 공통샤프트(30)의 아웃터샤프트(32)의 외면에서 그 축선방향을 따라 이동가능하게 구성될 수 있다.

탄성부재(72)는 코일스프링, 판스프링, 스프링와셔 등과 같은 다양한 탄성체로 구성될 수 있고, 탄성부재(72)가 아마추어(71)의 축선방향을 따라 수축 내지 팽창함에 따라 아마추어(71)는 탄성부재(72)에 의해 그 축선방향으로 이동할 수 있다.

솔레노이드(73)는 전원이 인가됨에 따라 전자기력에 의해 아마추어(71)를 흡인하고 전원이 인가되지 않으면 아마추어(71)를 흡인하지 않도록 구성될 수 있다.

도 1을 참조하면, 전원이 솔레노이드(73)에 인가되지 않으면(솔레노이드(73)의 턴오프) 탄성부재(72)는 그 자체 탄성력에 의해 아마추어(71)를 워터펌프 풀리(40)의 지지벽(42)측으로 밀어냄으로써 아마추어(71)는 지지벽(42)과 마찰적으로 접촉할 수 있고, 이에 의해 풀리 클러치(70)는 공통샤프트(30) 및 워터펌프 풀리(40)를 기계적으로 결합하는 결합작동이 이루어질 수 있다. 이러한 풀리 클러치(70)의 결합작동에 의해, 워터펌프 풀리(40)가 공통샤프트(30)에 기계적으로 연결됨으로써 워터펌프 풀리(40)의 회전력이 공통샤프트(30) 측으로 전달될 수 있다.

도 2를 참조하면, 전원이 솔레노이드(73)에 인가되면(솔레노이드(73)의 턴온) 솔레노이드(73) 및 아마추어(71) 사이에서 발생하는 전자기력에 의해 아마추어(71)가 솔레노이드(73)에 흡인될 수 있고, 이에 아마추어(71)는 워터펌프 풀리(40)의 지지벽(42)으로부터 이격됨으로써 풀리 클러치(70)는 공통샤프트(30) 및 워터펌프 풀리(40)를 기계적으로 해제(분리)하는 해제작동이 이루어질 수 있다. 이러한 풀리 클러치(70)의 해제작동에 의해, 워터펌프 풀리(40)가 공통샤프트(30)에 대해 기계적으로 연결되지 않는다.

이와 같이, 솔레노이드(73)에 대한 전원의 인가 여부에 따라, 아마추어(71)는 솔레노이드(73) 및 탄성부재(72)에 의해 공통샤프트(30)의 축선방향을 따라 이동할 수 있다.

실시예에 따르면, 탄성부재(72)는 아마추어(71)의 내주가장자리 및 공통샤프트(30)의 베어링부(33)의 전방면 사이에 탄성적으로 개재될 수 있다. 아마추어(71)는 지지벽(42)을 향해 돌출한 접촉돌기(74)를 가질 수 있고, 접촉돌기(74)는 아마추어(71)의 외주가장자리에 위치할 수 있다. 이에, 접촉돌기(74)는 탄성부재(72)에 대해 아마추어(71)의 반경방향으로 서로 대향되게 이격될 수 있고, 접촉돌기(74)는 탄성부재(72)에 대해 아마추어(71)의 축선방향으로 서로 대향되게 이격될 수 있다. 이와 같이, 탄성부재(72) 및 접촉돌기(74)가 아마추어(71)의 축선방향 및 반경방향을 따라 대향되게 위치함으로써 접촉돌기(74)는 탄성부재(72)에 의해 워터펌프 풀리(40)의 지지벽(42)에 보다 견고하게 마찰 접촉할 수 있다.

도 3을 참조하면, 아마추어(71)는 탄성부재(72)의 일부가 수용되는 수용홈(71a)을 가질 수 있고, 이에 탄성부재(72)가 아마추어(71)의 내측가장자리 및 베어링부(33)의 전방면 사이에서 안정적으로 지지될 수 있으므로 탄성부재(72)의 수축 내지 팽창이 원활하게 이루어질 수 있다.

일 실시예에 따르면, 아마추어(71)는 공통샤프트(30)의 아웃터샤프트(32)의 외면 상에서 공통샤프트(30)의 축선방향을 따라 이동가능함과 더불어, 공통샤프트(30)의 회전방향을 따라 구속되도록 구성될 수 있다. 이에 아마추어(71)가 솔레노이드(73) 및 탄성부재(72)에 의해 공통샤프트(30)의 축선방향을 따라 아웃터샤프트(32)의 외면을 따라 이동할 수 있고, 아마추어(71)는 공통샤프트(30)와 함께 동일방향으로 회전할 수 있다. 예컨대, 도 3 및 도 4에 예시된 바와 같이, 아마추어(71)는 그 내주가장자리로부터 내경방향으로 돌출한 키 형상의 돌기(91)를 가질 수 있고, 아웃터샤프트(32)는 그 외면에 공통샤프트(30)의 축선방향을 따라 연장된 키 형상의 홈(92)을 가질 수 있으며, 아마추어(71)의 돌기(91)는 아웃터샤프트(32)의 홈(92)의 길이(t2) 보다 짧은 길이(t1)를 가지며, 아마추어(71)의 돌기(91) 및 아웃터샤프트(32)의 홈(92)은 동일한 폭(w)을 가진다. 이에 의해 아마추어(71)의 돌기(91)가 아웃터샤프트(32)의 홈(92)을 따라 이동할 수 있고, 아마추어(71)의 돌기(91)가 아웃터샤프트(32)의 홈(92)에 끼워짐으로써 아마추어(71)는 아웃터샤프트(32)의 회전방향을 따라 구속될 수 있고, 이를 통해 아마추어(71) 및 공통샤프트(30)는 함께 동일방향으로 회전할 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 아마추어(71)는 공통샤프트(30)의 아웃터샤프트(32)의 외면에 고정될 수 있고, 이에 아마추어(71)가 솔레노이드(73) 및 스프링부재탄성부재(72)에 의해 공통샤프트(30)의 축선방향을 따라 이동함에 따라 아마추어(71)는 공통샤프트(30)와 함께 미세한 거리로 이동할 수 있고, 아마추어(71)는 공통샤프트(30)와 함께 동일방향으로 회전할 수 있다. 공통샤프트(30)의 이동 시에 워터펌프(20)의 임펠러(22)가 파손되거나 부하가 걸리지 않도록 설계될 수 있다.

팬 클러치(80)는 클러치 케이스(81)와 클러치 커버(82)의 사이에서 배치된 로터(83)와, 로터(83)에 결합된 클러치 샤프트(84)와, 클러치 커버(82)의 내부에 형성된 오일저장실(85a)과, 클러치 커버(82) 및 로터(83) 사이에 형성된 오일작동실(85b)과, 오일작동실(85b) 및 오일저장실(85a)을 연통하는 오일리턴홀(85c)과, 오일저장실(85a) 및 오일작동실(85b)을 구획하는 분할플레이트(86)와, 클러치 커버(82)의 중심에 베어링 등을 통해 장착된 밸브축(87)과, 밸브축(87)의 일단에 결합된 밸브플레이트(88)와, 밸브축(87)의 타단에 장착된 바이메탈(89)을 포함할 수 있다.

로터(83)는 클러치 케이스(81)와 클러치 커버(82) 사이에서 회전가능하게 장착될 수 있다. 클러치 커버(82)는 쿨링팬(50)의 허브 측에 결합될 수 있다.

클러치 샤프트(84)는 베어링(84b)을 통해 클러치 케이스(81)에 회전가능하게 지지될 수 있다. 클러치 샤프트(84)는 연결부재(60)를 통해 공통샤프트(30)의 아웃터샤프트(32)에 고정적으로 연결될 수 있고, 공통샤프트(30)의 회전에 의해 클러치 샤프트(84)가 회전할 수 있다. 클러치 샤프트(84)는 그 내부에 암나사부(84a)를 가질 수 있고, 연결부재(60)의 수나사부(62)가 클러치 샤프트(84)의 암나사부(84a)에 나사결합될 수 있다. 클러치 샤프트(84) 및 연결부재(60)가 나사결합될 때, 클러치 샤프트(84)의 일단이 연결부재(60)의 스토퍼(63)와 접촉할 수 있고, 이에 연결부재(60) 및 클러치 샤프트(84)의 결합위치가 서로 간에 규제될 수 있다.

오일저장실(85a)은 오일을 저장하도록 구성될 수 있고, 오일작동실(85b)의 오일은 오일리턴홀(85c)을 통해 오일저장실(85a)로 회수될 수 있다.

분할플레이트(86)는 오일저장실(85a)의 오일이 오일작동실로 흘러감을 허용하는 하나 이상의 오일소통홀(미도시)을 가질 수 있다.

밸브플레이트(88)는 밸브축(87)의 회전에 의해 회전함으로써 분할플레이트(86)의 오일통과홀을 개폐할 수 있다.

바이메탈(89)은 나선 형상으로 감겨져 있으며, 라디에이터를 통과한 공기의 온도에 따라 팽창 내지 수축함으로써 밸브축(87)을 선택적으로 회전시키도록 구성될 수 있다.

밸브플레이트(11)의 초기위치는 밸브플레이트(88)가 분할플레이트(86)의 오일소통홀(미도시)을 폐쇄함에 따라 오일저장실(85a)의 오일이 오일작동실(85b)로 공급되지 않은 상태이다. 이런 상태에서, 엔진이 구동하여 공통샤프트(30)의 회전력이 클러치 샤프트(84)를 통해 로터(83)에 전달되더라도 밸브플레이트(88)가 분할플레이트(86)의 오일소통홀을 개방하지 않으면 오일저장실(85a)의 오일이 오일작동실(85b)로 공급되지 않으므로 로터(83)의 회전력이 클러치 커버(82)로 전달되지 않고, 이에 쿨링팬(50)은 회전하지 않는다.

엔진의 구동함에 따라 냉각수의 온도(냉각수온)가 점차 상승하면, 라이에이터에서 발산하는 온도(외기온)는 점차 높아지고, 나선 형상으로 감겨진 바이메탈(89)은 온도상승에 의해 팽창되기 시작한다. 바이메탈(89)의 팽창시, 바이메탈(89)의 감김에 의해 밸브축(87)은 일방향으로 회전하고, 밸브플레이트(88)가 밸브축(87)에 의해 회전함으로써 분할플레이트(86)의 오일소통홀이 개방된다. 오일소통홀의 개방에 의해, 오일저장실(85a)의 오일은 개방된 오일소통홀을 통과한 후 오일작동실(85b)로 이동한다. 이때, 로터(83)의 회전력은 오일작동실(85b)을 통과하는 오일의 점성에 의해 클러치 커버(82)로 전달됨으로써 쿨링팬(50)은 공통샤프트(30)에 입력되는 회전수 및 바이메탈(89)이 검출한 외기온 등에 따라 비례하는 회전수로 회전할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 워터펌프-쿨링팬 조립체(10)의 제어방법을 도시한 순서도이다.

도 5를 참조하면, 제어기(미도시)는 엔진 냉각시스템을 순환하는 측정된 냉각수의 온도(이하에서는 '냉각수온'이라 지칭함)가 제1설정온도(T1) 보다 낮은 지를 판단한다(S1). 여기서, 냉각수온은 냉각수 온도센서(WTS, water temeperature sensor)에 의해 측정될 수 있고, 제1설정온도(T1)는 엔진 냉각시스템을 순환하는 냉각수의 순환 및 냉각을 판단하기 위한 기준값일 수 있다. 예컨대, 냉각수온이 제1설정온도(T1) 보다 낮으면 엔진의 시동 초기와 같이 냉각수의 순환 및 냉각이 필요하지 않은 운전조건일 수 있다. 냉각수온이 제1설정온도(T1) 이상이면 냉각수의 순환 및 냉각이 요구되는 운전조건일 수도 있다.

S1단계에서 냉각수온이 제1설정온도(T1) 낮으면 워터펌프-쿨링팬 조립체(10)의 외부 공기온도(이하에서, '외기온'이라 지칭함)가 제2설정온도(T2) 보다 낮은지를 판단한다(S2). 외기온은 외기온 센서에 의해 측정될 수 있고, 제2설정온도(T2)는 엔진 냉각시스템을 순환하는 냉각수의 순환 및 냉각을 판단하기 위한 기준값일 수 있다. 예컨대, 외기온이 제2설정온도(T2) 보다 낮으면 엔진의 시동 초기와 같이 냉각수의 순환 및 냉각이 필요하지 않은 운전조건일 수 있다. 외기온이 제2설정온도(T2) 이상이면 냉각수의 순환 및 냉각이 요구되는 운전조건일 수도 있다.

S2단계에서 외기온이 제2설정온도(T2) 보다 낮으면 엔진의 RPM이 설정RPM(R) 보다 낮은지를 판단한다(S3). 엔진의 RPM은 RPM센서에 의해 측정될 수 있고, 설정RPM은 엔진 냉각시스템을 순환하는 냉각수의 순환 및 냉각을 판단하기 위한 기준값일 수 있다. 예컨대, 엔진의 RPM이 설정RPM(R) 보다 낮으면 엔진의 시동 초기와 같이 냉각수의 순환 및 냉각이 필요하지 않은 운전조건일 수 있다. 엔진의 RPM이 설정RPM(R) 이상이면 냉각수의 순환 및 냉각이 요구되는 운전조건일 수도 있다.

상술한 S1단계, S2단계, S3단계는 시계열적으로 연결된 제어로직이 아니며, 필요에 따라 S1단계, S2단계, S3단계의 순서는 다양하게 변경가능할 수 있다.

S1단계에서 냉각수온이 제1설정온도(T1) 보다 낮고 S2단계에서 외기온이 제2설정온도(T2) 보다 낮으며 S2단계에서 엔진의 RPM이 설정RPM(R) 보다 낮으면, 제어기에 의해 전원을 풀리 클러치(70)의 솔레노이드(73)에 인가함으로써(솔레노이드(73)의 턴온) 풀리 클러치(70)의 해제작동을 실행한다(S4). 이와 같이, 전원이 풀리 클러치(70)의 솔레노이드(73)에 인가됨으로써, 도 2와 같이 아마추어(71)가 솔레노이드(73)에 흡인되고, 아마추어(71)는 워터펌프 풀리(40)의 지지벽(42)으로부터 이격될 수 있다. 이에 워터펌프 풀리(40)가 공통샤프트(30)에 대해 기계적으로 연결되지 않으므로 워터펌프 풀리(40)의 회전력이 워터펌프(20) 및 쿨링팬(50)의 팬클러치(80) 측으로 전달하지 않으며, 이에 워터펌프(20)의 회전수 및 쿨링팬(50) 및 팬클러치(80)의 회전수가 "0"이 된다(S5).

S1단계에서 냉각수온이 제1설정온도(T1) 이상이거나 S2단계에서 외기온이 제2설정온도(T2) 이상이거나 S3단계에서 엔진의 RPM이 설정RPM(R) 이상이면, 제어기에 의해 전원을 풀리 클러치(70)의 솔레노이드(73)에 인가하지 않음(솔레노이드(73)의 턴오프)으로서 풀리 클러치(70)의 결합작동을 실행하고, 풀리 클러치(70)의 결합작동 시에 풀리 클러치의 결합 듀레이션시간(Pulley clutch engage duration time)을 설정시간(D)동안 유지한다(S6). 여기서, 풀리 클러치의 결합 듀레이션시간은 히스테리시스의 개념의 일종으로, 냉각수온, 외기온, 엔진의 RPM이 변동함에 따라 풀리 클러치(70)의 솔레노이드(73)가 턴온 및 턴오프됨을 빈번하게 반복함을 방지하기 위하여 풀리 클러치(70)의 솔레노이드(73)가 턴오프된 상태를 유지함으로써 풀리 클러치(70)의 결합작동을 유지하기 위해 설정된 시간일 수 있다.

풀리 클러치(70)의 턴오프가 풀리 클러치 턴오프 듀레이션시간(D)동안 유지됨에 따라 탄성부재(72)는 그 자체 탄성력에 의해 아마추어(71)를 워터펌프 풀리(40)의 지지벽(42)측으로 밀어냄으로써 아마추어(71)는 지지벽(42)과 마찰적으로 접촉할 수 있고, 이를 통해 워터펌프 풀리(40)가 공통샤프트(30)에 기계적으로 연결됨으로써 워터펌프 풀리(40)의 회전력이 공통샤프트(30)를 거쳐 워터펌프(20) 및 쿨링팬(50)의 팬클러치(80) 측으로 전달된다. 이에, 워터펌프(20)의 회전수 및 팬클러치(80)의 회전수는 워터펌프 풀리(40)의 풀리비 및 엔진의 RPM에 따라 결정된다(S7).

또한, 외기온이 제3설정온도(T3) 보다 낮은지를 판단한다(S8). 제3설정온도(T3)는 팬클러치(80)의 회전수를 결정하기 위한 기준값일 수 있다. 예컨대, 외기온이 제3설정온도(T3) 보다 낮으면 팬클러치(80)는 바이메탈(89)의 팽창도가 낮아져 분할플레이트(86)의 오일소통홀의 개도율이 낮아짐으로써 오일작동실(85b)로 이동하는 오일량이 최소화되고, 이에 로터(83)의 회전력이 클러치 커버(82)로 상대적으로 작게 전달됨으로써 쿨링팬(50)은 공통샤프트(30)에 입력되는 엔진의 RPM에 상관없이 1000RPM 정도의 고정된 회전수('disengage rpm'으로 지칭됨)로 회전한다(S9).

외기온이 제3설정온도(T3) 이상이면 팬클러치(80)는 바이메탈(89)의 팽창도가 상대적으로 높아져 분할플레이트(86)의 오일소통홀의 개도율이 상대적으로 증가함으로써 오일작동실(85b)로 이동하는 오일량이 증가하고, 이에 로터(83)의 회전력이 클러치 커버(82)로 상대적으로 크게 전달됨으로써 쿨링팬(50)은 공통샤프트(30)에 입력되는 엔진의 RPM 및 바이메탈(89)이 검출한 외기온에 비례하는 회전수로 회전한다(S10).

본 발명에 의하면, 워터펌프(20) 및 팬 클러치(80)가 공통샤프트(30)을 통해 워터펌프 풀리(40)에 동축으로 연결되고, 냉각수온, 외기온, 엔진 rpm 등에 따라 엔진의 크랭크샤프트의 동력이 워터펌프(20) 및 팬 클러치(80)로 전달됨을 단속함과 더불어 워터펌프의 회전수 및 쿨링팬의 회전수를 용이하게 제어할 수 있고, 이를 통해 엔진의 워밍업을 원활하게 할 수 있으며, 기존의 전자유체식 팬클러치에 비해 상대적으로 작은 비용으로 우수한 연비개선효과를 달성할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 저온 배기규제를 용이하게 대응할 수 있으며, 냉간 시 연료 분사량을 줄일 수 있으므로 연비를 개선할 수 있고, 냉간 시에 EGR가스 사용량을 줄임으로써 내구 및 품질을 개선할 수 있으며, 시동 시 쿨링팬의 회전을 억제할 수 있으므로 엔진 NVH성능을 향상할 수 있고, 엔진의 워밍업 개선을 통해 연비를 향상할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 워터펌프-쿨링팬 조립체 20: 워터펌프
21: 펌프 바디 23: 제1수용캐비티
24: 제2수용캐비티 25: 수용캐비티
30: 공통샤프트 31: 인너샤프트
32: 아웃터샤프트 33: 베어링부
40: 워터펌프 풀리 41: 림부
42: 지지벽 50: 쿨링팬
60: 연결부재 70: 풀리 클러치
71: 아마추어 72: 탄성부재
73: 솔레노이드 80: 팬클러치

Claims

펌프 바디 및 상기 펌프 바디 내에 회전가능하게 장착된 임펠러를 가진 워터펌프;
상기 워터펌프의 중심에 회전가능하게 장착된 공통샤프트;
상기 워터펌프에 대해 회전가능하게 장착되는 워터펌프 풀리;
상기 워터펌프 및 상기 워터펌프 풀리에 대해 상기 공통샤프트를 통해 동축으로 연결되고, 외기온에 감응하는 팬클러치가 장착된 쿨링팬;
상기 쿨링팬 및 상기 공통샤프트를 고정적으로 연결하는 연결부재; 및
상기 워터펌프 풀리를 상기 공통샤프트에 선택적으로 결합하고, 상기 워터펌프 풀리의 내측에 배치되는 풀리 클러치;를 포함하는 워터펌프-쿨링팬 조립체.
청구항 1에 있어서,
상기 공통샤프트는 상기 워터펌프의 임펠러에 결합되는 인너샤프트와, 상기 연결부재에 결합되는 아웃터샤프트와, 상기 인너샤프트 및 상기 아웃터샤프트 사이에 위치한 베어링을 포함하는 워터펌프-쿨링팬 조립체.
청구항 2에 있어서,
상기 풀리 클러치는 상기 공통샤프트의 아웃터샤프트의 외면에 배치된 아마추어와, 상기 아마추어 및 상기 공통샤프트의 베어링부 사이에 개재된 탄성부재와, 통전여부에 따라 상기 아마추어를 선택적으로 흡인하는 솔레노이드를 포함하는 워터펌프-쿨링팬 조립체.
청구항 3에 있어서,
상기 워터펌프 풀리는 상기 펌프 바디의 일단에 회전가능하게 지지된 림부 및 상기 림부로부터 상기 공통샤프트의 아웃터샤프트를 향해 연장된 지지벽을 포함하고,
상기 아마추어는 상기 솔레노이드 및 상기 탄성부재에 의해 상기 공통샤프트의 축선방향을 따라 이동함으로써 상기 지지벽과 선택적으로 마찰접촉하는 워터펌프-쿨링팬 조립체.
청구항 4에 있어서,
상기 아마추어는 상기 공통샤프트의 축선방향을 따라 이동가능하고, 상기 아웃터샤프트의 회전방향을 따라 구속되도록 구성된 워터펌프-쿨링팬 조립체.
청구항 5에 있어서,
상기 아마추어는 상기 지지벽을 향해 돌출한 접촉돌기를 가지는 워터펌프-쿨링팬 조립체.
청구항 2에 있어서,
상기 쿨링팬은 상기 공통샤프트 및 팬클러치를 통해 상기 워터펌프 및 상기 워터펌프 풀리에 동축으로 연결되고,
상기 팬클러치는 연결부재를 통해 상기 공통샤프트에 연결되는 워터펌프-쿨링팬 조립체.
청구항 7에 있어서,
상기 연결부재는 상기 공통샤프트의 아웃터샤프트가 끼움결합되는 결합공 및 상기 팬클러치의 클러치 샤프트가 결합되는 수나사부를 가진 워터펌프-쿨링팬 조립체.
청구항 1에 따른 워터펌프-쿨링팬 조립체의 제어방법으로,
냉각수온이 제1설정온도 보다 낮고, 외기온이 제2설정온도 보다 낮으며, 엔진의 RPM이 설정RPM 보다 낮으면,
풀리 클러치의 해제작동을 실행함으로써 워터펌프 풀리의 회전력을 워터펌프 및 쿨링팬으로 전달됨을 차단하는 워터펌프-쿨링팬의 제어방법.
청구항 9에 있어서,
냉각수온이 제1설정온도 이상이거나 외기온이 제2설정온도 이상이거나 엔진의 RPM이 설정RPM 이상이면 풀리 클러치의 결합작동을 실행함으로써 워터펌프 풀리의 회전력을 워터펌프 및 쿨링팬으로 전달하는 워터펌프-쿨링팬의 제어방법.
청구항 10에 있어서,
상기 풀리 클러치의 결합작동 시에 풀리 클러치의 결합 듀레이션시간을 설정하고, 상기 풀리 클러치의 결합 듀레이션시간은 상기 풀리 클러치의 결합작동을 유지하기 위해 설정된 시간인 워터펌프-쿨링팬의 제어방법.